TERMODYNAAMINEN TASAPAINO: LUOKAT JA SOVELLUKSET - FYYSINEN - 2026

Termodynaaminen tasapaino, joka eristettiin järjestelmä on määritelty tasapainotila, jossa muuttujat, jotka ovat sille tunnusomaisia, ja että voidaan mitata tai laskea ei suoriteta muutoksia, koska johtuen sen eristäminen ei ole ulkoisia voimia, jotka pyrkivät muuttamaan tilassa..

Sekä järjestelmät että huomioon otettavat tasapainokategoriat ovat hyvin erilaisia. Järjestelmä voi olla kenno, jääkylmä juoma, matkustajia täynnä lentokone, henkilö tai kone, jotta mainitsen vain muutamia esimerkkejä. Ne voivat olla myös eristettyjä, suljettuja tai avoimia riippuen siitä, voivatko ne vaihtaa energiaa ja ainetta ympäristön kanssa vai eivät.

Cocktailin komponentit ovat termisessä tasapainossa. Lähde: Pexels.

Eristetty järjestelmä ei ole vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa, mikään ei tule tai jätä sitä. Suljettu järjestelmä voi vaihtaa energiaa, mutta sillä ei ole väliä ympäröivän ympäristön kanssa. Lopuksi, avoin järjestelmä voi vapaasti vaihtaa tietoja ympäristön kanssa.

No, eristetty järjestelmä, jonka annetaan kehittyä tarpeeksi kauan, taipuu spontaanisti termodynaamiseen tasapainoon, jossa muuttujat säilyttävät arvonsa loputtomiin. Ja kun se on avoin järjestelmä, sen arvojen on oltava samat kuin ympäristön.

Tämä saavutetaan niin kauan kuin kaikki kunkin tietyn tyypin asettamat tasapainoedellytykset täyttyvät.

Tasapainokurssit

Terminen tasapaino

Yksi sellainen perustavanlaatuinen tasapaino on terminen tasapaino, jota esiintyy monissa arjen tilanteissa, kuten kuuma kuppi kahvia ja lusikka, jolla sokeria sekoitetaan.

Tällainen järjestelmä pyrkii spontaanisti saavuttamaan saman lämpötilan tietyn ajan kuluttua, jonka jälkeen tasapaino saapuu, koska kaikki osat ovat samassa lämpötilassa.

Niin tapahtuessa on lämpötilaero, joka ohjaa lämmönvaihtoa koko järjestelmässä. Jokaisella järjestelmällä on aika saavuttaa lämpötasapaino ja saavuttaa sama lämpötila kaikissa pisteissä, jota kutsutaan rentoutumisaikaksi.

Mekaaninen tasapaino

Kun paine järjestelmän kaikissa pisteissä on vakio, se on mekaanisessa tasapainossa.

Kemiallinen tasapaino

Kemiallinen tasapaino, jota joskus kutsutaan myös materiaalitasapainoksi, saavutetaan, kun järjestelmän kemiallinen koostumus pysyy muuttumattomana ajan myötä.

Yleensä järjestelmää pidetään termodynaamisessa tasapainossa, kun se on termisessa ja mekaanisessa tasapainossa samanaikaisesti.

Termodynaamiset muuttujat ja tilayhtälö

Muuttujat, joita tutkitaan järjestelmän termodynaamisen tasapainon analysoimiseksi, ovat erilaisia, yleisimmin käytettyjä ovat paine, tilavuus, massa ja lämpötila. Muita muuttujia ovat sijainti, nopeus ja muut, joiden valinta riippuu tutkitusta järjestelmästä.

Siten, koska pisteen koordinaattien osoittaminen tekee mahdolliseksi tietää sen tarkan sijainnin, termodynaamisten muuttujien tunteminen määrittää yksiselitteisesti järjestelmän tilan. Kun järjestelmä on tasapainossa, nämä muuttujat tyydyttävät suhteen, jota kutsutaan tilayhtälöksi.

Tilayhtälö on termodynaamisten muuttujien funktio, joiden yleinen muoto on:

Missä P on paine, V on tilavuus ja T on lämpötila. Tilayhtälö voitaisiin luonnollisesti ilmaista muilla muuttujilla, mutta kuten aiemmin sanottiin, nämä ovat muuttujia, joita käytetään eniten termodynaamisten järjestelmien karakterisointiin.

Yksi tunnetuimmista tilayhtälöistä on ihanteellisten kaasujen PV = nRT. Tässä n on moolien lukumäärä, atomien tai molekyylien ja R on Boltzmannin vakio: 1,30 x 10 ^-23 J / K (joule / Kelvin).

Termodynaaminen tasapaino ja termodynamiikan nollalaki

Oletetaan, että meillä on kaksi termodynaamista järjestelmää A ja B, joissa on lämpömittari, jota kutsumme T: ksi, joka on kosketuksissa järjestelmän A kanssa niin kauan, että A ja T saavuttavat saman lämpötilan. Tällöin voidaan varmistaa, että A ja T ovat lämpötasapainossa.

Lämpömittarin avulla varmennetaan termodynamiikan nollalaki. Lähde: Pexels.

Sama menettely toistetaan sitten järjestelmillä B ja T. Jos lämpötilan B osoittautuu olevan sama kuin A: n, niin A ja B ovat lämpötasapainossa. Tätä tulosta kutsutaan termodynamiikan nollalakeeksi tai nollaperiaatteeksi, joka ilmaistaan ​​muodollisesti seuraavasti:

Ja tästä periaatteesta voidaan päätellä seuraavaa:

Siksi kahta lämpökosketuksessa olevaa kappaletta, jotka eivät ole samassa lämpötilassa, ei voida pitää termodynaamisessa tasapainossa.

Entropia ja termodynaaminen tasapaino

Mikä ajaa järjestelmää saavuttamaan lämpötasapainon, on entropia, suuruusluokka, joka osoittaa kuinka lähellä järjestelmä on tasapainotilaan, mikä osoittaa sen häiriötilan. Mitä enemmän häiriöitä, sitä enemmän entropiaa on, aivan päinvastoin tapahtuu, jos järjestelmä on hyvin järjestetty, jolloin entropia vähenee.

Termisen tasapainotilan tila on tarkalleen maksimiontropian tila, mikä tarkoittaa, että mikä tahansa eristetty järjestelmä menee spontaanisti kohti suuremman häiriön tilaa.

Nyt lämpöenergian siirtoa järjestelmään säätelee muutos sen entroopissa. Olkoon S entropia ja merkitsemme sen muutosta kreikkalaisella "delta" -kirjaimella: ΔS. Muutos, joka vie järjestelmän alkuperäisestä tilasta lopputilaan, määritellään seuraavasti:

Tämä yhtälö pätee vain palautuviin prosesseihin. Prosessi, jossa järjestelmä voi palata täysin alkuperäisiin olosuhteisiinsa ja on termodynaamisessa tasapainossa jokaisessa pisteessä matkan varrella.

Esimerkkejä järjestelmistä, joissa entropia kasvaa

- Kun lämpö siirretään kuumemmasta kappaleesta kylmempään, entropia kasvaa, kunnes molempien lämpötila on sama, minkä jälkeen sen arvo pysyy vakiona, jos järjestelmä on eristetty.

- Toinen esimerkki entropian kasvusta on natriumkloridin liukeneminen veteen, kunnes tasapaino saavutetaan heti, kun suola on täysin liuennut.

- Kiinteässä aineessa, joka sulaa, myös entropia kasvaa, koska molekyylit siirtyvät järjestetymmästä tilanteesta, joka on kiinteä aine, epäjärjestyksellisemmäksi nesteenä.

- Joissakin tyyppisissä spontaanissa radioaktiivisessa hajoamisessa tuloksena oleva hiukkasten lukumäärä kasvaa ja sen myötä järjestelmän entropia. Muissa hajoamisissa, joissa hiukkasten tuhoutuminen tapahtuu, tapahtuu muutos massasta kineettiseksi energiaksi, joka lopulta hajottaa lämpöä, ja myös entropia kasvaa.

Tällaiset esimerkit korostavat sitä tosiasiaa, että termodynaaminen tasapaino on suhteellinen: järjestelmä voi olla termodynaamisessa tasapainossa paikallisesti, esimerkiksi ottamalla huomioon kahvikuppi + teelusikallinen järjestelmä.

Kahvikuppi + lusikka + ympäristöjärjestelmä ei kuitenkaan välttämättä ole lämpötasapainossa ennen kuin kahvi on täysin jäähtynyt.

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikan ja tieteiden aloille. Nide 1. Mc Graw Hill. 650-672.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamiikka. 7 ^ma Edition. McGraw Hill. 15-25 ja 332-334.
3. Termodynamiikka. Palautettu: ugr.es.
4. Rosarion kansallinen yliopisto. Fysikaalis-kemiallinen I. Palautettu: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropia ja termodynamiikan toinen laki hiukkas- ja ydinvuorovaikutuksissa. San Jose State University. Palautettu: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Termodynaaminen tasapaino. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org.